EP3830425B1

EP3830425B1 - Lüfter mit kühlkörper aus wärmeleitfähigem kunststoff

Info

Publication number: EP3830425B1
Application number: EP19745595.9A
Authority: EP
Inventors: Thomas Heli; Peter Riegler; Daniel Gebert; Valerius SCHAAF
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2026-01-14
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: EP3830425A1; US20210231125A1; CN112334668A; CN209398636U; DE102018118925A1; WO2020025443A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lüfter mit einem als Kunststoffabdeckung ausgebildeten Kühlkörper.
Ein Kühlkörper hat die Aufgabe, Wärme von einem zu kühlenden Element aufzunehmen und an ein umgebendes Medium wieder abzugeben. Dabei kommt für den Kühlkörper üblicherweise ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Aluminium oder Kupfer zum Einsatz.
Eine Massenfertigung von Aluminium-Kühlkörpern, insbesondere solchen, die in ihrer Form an eine vorbestimmte Applikation angepasst sind, erfolgt üblicherweise im Druckgussverfahren. Dazu wird erwärmtes Aluminium im flüssigen oder teigigen Zustand unter hohem Druck in eine vorgewärmte Stahlform gepresst, die dann später als leitfähiger Kühlkörper dient.
Bei Motoren werden ebenfalls Kühlkörper verwendet. So beschäftigt sich DE 19841583 A1 mit einen Kühlkörper zum Kühlen von Elementen, insbesondere von Halbleiterbauelementen, Motoren und Aggregaten, insbesondere zumindest teilweise aus stranggepreßtem Aluminium oder anderem Leichtmetall hergestellte Kühleinheit, bestehend aus mindestens zwei separaten Basisprofilen zur Montage der elektrischen Bauelemente, die voneinander beabstandet und mittels einer Vielzahl separater Kühlrippen miteinander verbunden sind. Zwischen zwei benachbarten Basisprofilen ist ferner die Montage mindestens eines Lüfters vorgesehen.
Zur Kühlung bietet sich die Nutzung der Wärmeleitung an. Unter Wärmeleitung - auch Wärmediffusion oder Konduktion genannt - wird in der Physik der Wärmefluss infolge eines Temperaturunterschiedes verstanden. Wärme fließt dabei - gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik - immer nur in Richtung geringerer Temperatur, also in Richtung der Temperatursenke. Wärmeleitung ist ein Mechanismus zum Transport von thermischer Energie, ohne dass dazu ein makroskopischer Materialstrom benötigt wird wie beim alternativen Mechanismus der Konvektion. Auch der Wärmetransport durch Wärmestrahlung wird als getrennter Mechanismus betrachtet. Ein Maß für die Wärmeleitung in einem bestimmten Stoff ist die Wärmeleitfähigkeit.
Es ist daher naheliegend, dass zur Nutzung der Kühlung unter Verwendung eines Kühlkörpers ein Stoff oder Material mit guter bis sehr guter Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Kupfer uns seine Legierungen haben typische Wärmeleitwerte von 100 - 400 W/mK, Aluminium liegt bei 236 W/m K ebenfalls in einem Bereich hoher Wärmeleitfähigkeit. Selbst unlegierter Stahl hat als metallischer Werkstoff schon eine deutlich schlechtere Eigenschaft der Wärmeleitung und besitzt eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 50 W/mK.
Industrie-Kunststoffe, wie PUR oder Polyamid (PA) sind als Wärmeleiter aufgrund ihres erheblich niedrigeren Leitwertes, der nicht einmal 1/1000 des Wertes von Kupfer beträgt, im Stand der Technik als ungeeignet bezeichnet. Man hat somit mit Kupfer einer um mehr als 1000-fach besserer Leitfähigkeit als mit einem herkömmlichen Kunststoff.
Bei Lüftern und Lüftermotoren mit einer integrierten Elektronik wird die Elektronik naturgemäß warm oder heiß und muss daher gekühlt werden, um eine Beschädigung der Elektronik zu vermeiden und die Lebensdauer derselben zu erhöhen. Typische metallische Abdeckungen führen zwar die Wärme gut weg, sind aber teuer in der Herstellung und bereits durch den hohen Materialpreis nicht kostengünstig realisierbar.
Weiterer druckschriftlicher Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet ist in den Dokumenten KR 101 345 703 B1 , US 2016/069 352 A1 , JP 2005 168 133 A , US 2014/325 829 A1 , DE 10 2009 045 063 A1 , DE 10 2015 121 166 A1 und US 2016/087 511 A1 offenbart.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig Herstellbare und zuverlässig funktionierende Kühlung für die Elektronik eines Lüftermotors eines Lüfters bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Elektronik eines Lüfters mit Hilfe eines Kunststoffkühlkörpers anstelle eines metallischen Kühlkörpers zu kühlen. Diese im Stand der Technik unbekannte Ansatz lässt sich dadurch realisieren, dass der Kühlkörper als Abdeckung mit sehr dünner Wandstärke mit einer spezifischen Form und Oberfläche verwendet wird. Neben der Vergrößerung der Oberfläche, werden gezielt mehrere Effekte kumulativ genutzt, nämlich die Wärmeleitung, die Wärmekonvektion und die Reduktion von Wärmestau, indem ein dünnwandiges Kunststoffmaterial, mit großer effizienter Oberfläche und einem vergleichsweise großen Anteil mit einer unmittelbaren Anlagefläche für Wärme produzierende Bauteile.
Auf diese Weise kann in Abkehr vom Stand der Technik auch mit einem Kunststoffmaterial auf günstige und effiziente Weise eine Abdeckung erhalten werden, die einen thermischen Abtransport der entstehenden Wärme ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Lüfter aufweisend eine Elektronik auf einer Leiterplatte bereitgestellt, bei der oberhalb der Elektronik eine Abdeckung vorgesehen ist, die sowohl als aktiver als auch als passiver Kühlkörper wirkt, wobei die Abdeckung hierzu im Wesentlichen als flächiges Deckelelement aus einem dünnwandigen Kunststoff ausgebildet ist und über eine Form verfügt, die eine für die Kühlung der unter der Abdeckung angeordneten Elektronik wirksame Oberfläche aufweist, welche gegenüber der projizierten Grundfläche der Abdeckung um mindestens den Faktor 2 größer ist. Erfindungsgemäß weist die Abdeckung hierzu eine Kühlrippenstruktur mit mehreren Kühlrippen auf, welche die wirksame Oberfläche vergrößern. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Abdeckung mehrere Vertiefungen ausbildet, in denen Befestigungsöffnungen vorgesehen sind, an denen die Abdeckung über lösbare Befestigungsmittel lösbar am Lüfter befestigt ist.
Erfindungsgemäß weist die Abdeckung im Bereich der Kühlrippenstruktur eine flache Anlageseite in unmittelbaren Kontakt mit wärmeproduzierenden Bauelementen auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abdeckung die Kühlrippenstruktur in einem oder mehreren Bereichen aufweist oder mehrere Bereiche mit einer solchen Kühlrippenstruktur ausbildet.
Weiter ist es von Vorteil, wenn die Kühlrippen radial nach außen verlaufend angebracht oder ausgebildet sind, wodurch sich eine nach radial Außen und Oben hin offene Struktur realisieren lässt, was sich vorteilhaft auf die Fertigung und die kühltechnische Wirkung auswirkt.
Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt werden, dass die Kühlrippen eine sich verändernde, insbesondere nach außen hin abnehmende Wandstärke besitzen. Es sind auch andere Formen und Gestaltungen der Wandstärke denkbar, um die Wärmeableiteffekte zu verbessern. Prinzipiell wird entgegen den im Stand der Technik üblicherweise eingesetzten metallischen Körpern mit dicken Wandstärken, gemäß dem Konzept der vorliegenden Erfindung eine dabei insgesamt geringe Wandstärke angestrebt um eine schnelle Wärmeableitung zu realisieren und auch Wärmestau zu verhindern.
Erfindungsgemäß liegt die Abdeckung an der der Elektronik zugewandten Unterseite eine flache Anlagefläche ausbildet und im montierten Zustand diese Anlagefläche gegen Elektronikbauteile zumindest abschnittsweise an.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für einen Radiallüfter wird die Abdeckung aus einem im Wesentlichen runden Abschnitt gebildet an den sich eine Auskragung (vorzugsweise mit einem linear verlaufenden Seitenrand) einstückig anschließt.
Ebenfalls hat sich mit Vorteil gezeigt, wenn das Material der Abdeckung ein Polyamid (PA), Polyurethan (PUR), Polycarbonat (PC) oder Polyethylen (PE) ist.
Erfindungsgemäß ist die Dicke der Abdeckung in demjenigen Bereich, der parallel zur Anordnung der Leiterplatte ist, und/oder in dem Bereich der flachen Anlagefläche mindestens um den Faktor 2 geringer ist, als in einem Randbereich oder einem Bereich der Abdeckung, der sich in Richtung zur Elektronik hin erstreckt. Hierdurch können die wesentlichen stabilisierenden Eigenschaften in den Randbereich und die wesentlichen thermischen Eigenschaften in den flächigen Bereich und die Bereiche mit den Kühlrippen gelegt werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Schnittansicht durch einen Radiallüfter,
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht auf den Radiallüfter aus Figur 1,
Fig. 3: eine Aufsicht auf die Abdeckung der Elektronik des Radiallüfters aus Figur 1,
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht der Abdeckung aus Figur 3,
Fig. 5: eine Schnittansicht durch die Abdeckung aus Figur 3.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren 1 bis 5 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen Lüfter 1, hier einen Radiallüfter.
Der Lüfter 1 ist mit einer Elektronik auf einer Leiterplatte 2 ausgebildet.
Oberhalb der Elektronik ist eine erfindungsgemäße Abdeckung 10 gezeigt, die sowohl als aktiver als auch als passiver Kühlkörper ausgebildet ist. Dabei ist die Abdeckung 10, wie in den Figuren 3 bis 5 ersichtlich im Wesentlichen als flächiges Deckelelement aus einem dünnwandigen Kunststoff ausgebildet und verfügt über eine Form, die eine für die Kühlung der unter der Abdeckung 10 angeordneten Elektronik wirksame Oberfläche 11 aufweist, welche gegenüber der projizierten Grundfläche der Abdeckung 10 aufgrund der in der Figur 2 ersichtlichen Kühlrippenstruktur mit mehreren Kühlrippen 12 um wenigstens den Faktor 2 größer ist. Wie ebenfalls erkennbar, verlaufen bzw. erstrecken sich die Kühlrippen radial nach außen.
Die projizierte Grundfläche ergibt sich in der Aufsicht aus der Abbildung in der Figur 3. Wie ergänzend in der Figur 5 erkennbar ist, wird durch die Rippenstruktur die effektiv wirksame Oberfläche deutlich vergrößert. Die Abdeckung 10 ist aus einem im Wesentlichen zentralen runden Abschnitt 17 gebildet an den sich eine Auskragung 18 mit einer geraden Seitenkante einstückig anschließt.
In der Figur 3 und 4 ist erkennbar, dass die Abdeckung 10 mehrere Vertiefungen 13 ausbildet, in denen Befestigungsöffnungen 14 vorgesehen sind.
Die Abdeckung 10 ist in Wirkverbindung mit der Elektronik über lösbare Befestigungsmittel 15 (z. B. Schrauben) lösbar am Lüfter 1 befestigt. Die Abdeckung 10 bildet an der der Elektronik zugewandten Unterseite eine flache Anlagefläche aus, um im montierten Zustand mit dieser zumindest abschnittsweise gegen Elektronikbauteile anzuliegen.
In der Schnittansicht durch die Abdeckung 10, wie in der Fig. 5 gezeigt, besitzt diese im Bereich der Kühlrippenstruktur eine flache Anlageseite 16 zur Kontaktierung von wärmeproduzierenden Bauelementen der Elektronik. Ebenfalls ist zu erkennen, dass die Kühlrippen 12 eine sich verändernde, insbesondere von unten nach oben hin geringfügig abnehmende Wandstärke besitzen und sozusagen leicht konisch zulaufen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist denkbar, die Form und Gestaltung des Deckels an die jeweilige Anforderung entsprechend und z. B. die Anzahl der Bereiche mit Rippenstrukturen an die spezifische Kühlaufgabe anzupassen. Der Schutzumfang der Erfindung ist jedoch ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Lüfter (1) mit einer Elektronik auf einer Leiterplatte (2) und einer oberhalb der Elektronik angeordnete Abdeckung (10), die sowohl als aktiver als auch als passiver Kühlkörper ausgebildet ist, wobei die Abdeckung (10) eine Kühlrippenstruktur mit mehreren Kühlrippen (12) aufweist, wobei die Abdeckung (10) im Wesentlichen als flächiges Deckelelement aus einem dünnwandigen Kunststoff ausgebildet ist und über eine Form verfügt, die eine für die Kühlung der unter der Abdeckung (10) angeordneten Elektronik wirksame Oberfläche (11) aufweist, welche gegenüber der projizierten Grundfläche der Abdeckung (10) aufgrund der Kühlrippenstruktur mit mehreren Kühlrippen (12) um mindestens den Faktor 2 größer ist, wobei die Abdeckung (10) im Bereich der Kühlrippenstruktur eine flache Anlageseite (16) in Kontakt mit wärmeproduzierenden Bauelementen der Elektronik aufweist, und wobei die Abdeckung (10) an der der Elektronik zugewandten Unterseite eine flache Anlagefläche ausbildet und im montierten Zustand diese Anlagefläche gegen Elektronikbauteile zumindest abschnittsweise anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Abdeckung (10) in demjenigen Bereich, der parallel zur Anordnung der Leiterplatte (2) ist, und/oder in dem Bereich der flachen Anlagefläche mindestens um den Faktor 2 geringer ist, als in einem Randbereich oder einem Bereich der Abdeckung (10), der sich in Richtung zur Elektronik hin erstreckt.
Lüfter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) mehrere Vertiefungen (13) ausbildet, in denen Befestigungsöffnungen (14) vorgesehen sind, an denen die Abdeckung (10) über lösbare Befestigungsmittel (15) lösbar am Lüfter (1) befestigt ist.
Lüfter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) die Kühlrippenstruktur in einem oder mehreren Bereichen aufweist.
Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (12) radial nach außen verlaufend angebracht oder ausgebildet sind.
Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (12) eine sich verändernde, insbesondere nach außen hin abnehmende Wandstärke besitzen.
Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) aus einem im Wesentlichen runden Abschnitt (17) gebildet wird an den sich eine Auskragung (18) einstückig anschließt.
Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Abdeckung (10) ein Polyamid (PA), Polyurethan (PUR), Polycarbonat (PC) oder Polyethylen (PE) ist.
Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter ein Radiallüfter ist.